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5.11: Transporte Ativo Primário
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Primary Active Transport
 
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5.11: Primary Active Transport

5.11: Transporte Ativo Primário

In contrast to passive transport, active transport involves a substance being moved through membranes in a direction against its concentration or electrochemical gradient. There are two types of active transport: primary active transport and secondary active transport. Primary active transport utilizes chemical energy from ATP to drive protein pumps that are embedded in the cell membrane. With energy from ATP, the pumps transport ions against their electrochemical gradients—a direction they would not normally travel by diffusion.

Relationship between Concentration, Electrical, and Electrochemical Gradients

To understand the dynamics of active transport, it is important to first understand electrical and concentration gradients. A concentration gradient is a difference in the concentration of a substance across a membrane or space that drives movement from areas of high concentration to areas of low concentration. Similarly, an electrical gradient is the force resulting from the difference between electrochemical potentials on each side of the membrane that leads to the movement of ions across the membrane until the charges are similar on both sides of the membrane. An electrochemical gradient is created when the forces of a chemical concentration gradient and electrical charge gradient are combined.

Sodium-Potassium Pump

One important transporter responsible for maintaining the electrochemical gradient in cells is the sodium-potassium pump. The primary active transport activity of the pump occurs when it is oriented such that it spans the membrane with its extracellular side closed, and its intracellular region open and associated with a molecule of ATP. In this conformation, the transporter has a high affinity for sodium ions normally present in the cell in low concentrations, and three of these ions enter into and attach to the pump. Such binding allows ATP to transfer one of its phosphate groups to the transporter, providing the energy needed to close the pump’s intracellular side and open the extracellular region.

The change in conformation decreases the pump’s affinity for sodium ions—which are released into the extracellular space—but increases its affinity for potassium, allowing it to bind two potassium ions present in low concentration in the extracellular environment. The extracellular side of the pump then closes, and the ATP-derived phosphate group on the transporter detaches. This enables a new ATP molecule to associate with the pump’s intracellular side, which opens and allows the potassium ions to exit into the cell—returning the transporter to its initial shape beginning the cycle again.

Due to the pump’s primary active transport activity, there ends up being an imbalance in the distribution of ions across the membrane. There are more potassium ions inside the cell and more sodium ions outside the cell. Therefore, the inside of the cells ends up being more negative than the outside. An electrochemical gradient is generated as a result of the ion imbalance. The force from the electrochemical gradient then propels the reactions of secondary active transport. Secondary active transport, also known as co-transport, occurs when a substance is transported across a membrane as a result of the electrochemical gradient established by primary active transport without requiring additional ATP.

Ao contrário do transporte passivo, o transporte ativo envolve uma substância que é movida através de membranas contra a sua concentração ou gradiente eletroquímico. Existem dois tipos de transporte ativo: transporte ativo primário e transporte ativo secundário. O transporte ativo primário utiliza energia química do ATP para impulsionar bombas proteicas que estão embutidas na membrana celular. Com a energia do ATP, as bombas transportam iões contra os seus gradientes eletroquímicos—uma direção em que normalmente não viajariam por difusão.

Relação Entre Gradientes de Concentração, Elétricos e Eletroquímicos

Para perceber a dinâmica do transporte ativo, é importante perceber primeiro os gradientes elétricos e de concentração. Um gradiente de concentração é uma diferença na concentração de uma substância através de uma membrana ou espaço que impulsiona o movimento de zonas de alta concentração para zonas de baixa concentração. Da mesma forma, um gradiente elétrico é a força resultante da diferença entre potenciais eletroquímicos de cada lado da membrana que leva ao movimento de iões através da membrana até que as cargas sejam semelhantes de ambos os lados da membrana. Um gradiente eletroquímico é criado quando as forças de gradiente de concentração química e gradiente de carga elétrica são combinadas.

Bomba de Sódio-Potássio

Um importante transportador responsável pela manutenção do gradiente eletroquímico nas células é a bomba de sódio-potássio. A atividade de transporte ativo primário da bomba ocorre quando ela está posicionada de forma a abrangir toda a membrana com a sua região extracelular fechada, e a sua região intracelular aberta e associada a uma molécula de ATP. Nesta conformação, o transportador tem alta afinidade por iões de sódio normalmente presentes na célula em baixas concentrações, e três desses iões entram e prendem-se à bomba. Tal ligação permite que o ATP transfira um dos seus grupos de fosfato para o transportador, fornecendo a energia necessária para fechar a região intracelular da bomba e abrir a região extracelular.

A mudança na conformação diminui a afinidade da bomba para iões de sódio—que são libertados para o espaço extracelular—mas aumenta a sua afinidade para o potássio, permitindo que ela ligue dois iões de potássio presentes em baixa concentração no ambiente extracelular. A região extracelular da bomba então fecha, e o grupo fosfato derivado do ATP destaca-se do transportador. Isso permite que uma nova molécula de ATP se associe à região intracelular da bomba, que abre e permite que os iões de potássio entrem para a célula—devolvendo o transportador à sua forma original iniciando o ciclo novamente.

Devido à atividade de transporte ativo primário da bomba, acaba por haver um desequilíbrio na distribuição de iões através da membrana. Há mais iões de potássio dentro da célula e mais iões de sódio fora da célula. Portanto, o interior das células acaba por ser mais negativo do que o exterior. Um gradiente eletroquímico é gerado como resultado do desequilíbrio de iões. A força do gradiente eletroquímico impulsiona então as reações do transporte ativo secundário. O transporte ativo secundário, também conhecido como co-transporte, ocorre quando uma substância é transportada através de uma membrana como resultado do gradiente eletroquímico estabelecido pelo transporte ativo primário sem exigir ATP adicional.


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